Minerali e Rocce: Formazione, Classificazione e Proprietà

Minerali: Definizione e Caratteristiche

Un minerale è un corpo solido che si trova allo stato naturale. Può essere costituito da un solo elemento o da un composto chimico; la sua composizione si deve poter esprimere con una formula chimica e le molecole o ioni sono disposte con una geometria ordinata e definita. La sostanza deve essere un solido cristallino. I minerali e la loro origine sono oggetto di studio della mineralogia.

Ogni minerale ha una particolare forma geometrica definita, detta abito cristallino. L'abito cristallino è la forma in cui si accrescono i singoli cristalli o gli aggregati di cristalli. La disposizione interna delle specie chimiche è detta struttura del reticolo cristallino. La posizione degli ioni nella struttura cristallina non è intercambiabile. La forma esterna dipende dalle condizioni in cui il minerale si forma e dalla possibilità di svilupparsi.

La cella elementare è la più piccola unità tridimensionale che conserva sia la composizione chimica sia la struttura cristallina di quel particolare minerale. Un cristallo è composto dalla ripetizione di celle elementari; i vertici delle celle sono detti nodi del reticolo cristallino.

Tipologie di Legami Cristalli

I cristalli si possono classificare in base al tipo di legame chimico:

• Metallico: tra cationi di elementi metallici circondati da elettroni condivisi.
• Covalente: quando due atomi condividono elettroni; se i due atomi hanno la stessa elettronegatività, il legame è covalente puro.
• Ionico: quando vi è un'attrazione elettrostatica tra due ioni di carica opposta.

I cristalli si formano attraverso il processo di cristallizzazione.

Parametri Fisici e Chimici della Cristallizzazione

• Parametri fisici: le dimensioni delle specie chimiche devono poter costruire un'impalcatura cristallina stabile; tendono alla distanza minima e possono avere coordinazione a 3, 4 o 6.
• Parametri chimici: le cariche negative e positive degli ioni devono bilanciarsi per rendere la cella elementare neutra.

Genesi dei Minerali

La genesi dei minerali e dei loro aggregati, le rocce, dipende dalle condizioni ambientali di formazione: presenza di determinati elementi chimici, temperatura, pressione, pH delle soluzioni. Al momento della genesi, il minerale si trova in equilibrio termodinamico con l'ambiente circostante.

Tipi di Cristallizzazione

• Cristallizzazione da soluzioni magmatiche: raffreddamento in superficie o in profondità all'interno della Terra.
• Cristallizzazione da soluzioni acquose: per evaporazione o raffreddamento del solvente.
• Cristallizzazione per raffreddamento di vapori o per reazioni di gas: quando la pressione è bassa.
• Cristallizzazione da fasi solide o amorfe: con trasformazione allo stato solido di minerali già presenti e non più in equilibrio.
• Attività di organismi viventi.

Proprietà Fisiche dei Minerali

• Colore: dipende dalla composizione chimica; può variare per la presenza di impurezze.
• Colore della polvere: si produce con lo strofinamento con una superficie abrasiva; è sempre uguale per uno stesso minerale.
• Densità: rapporto tra la massa del corpo e la massa di un uguale volume d'acqua.
• Sfaldatura: facilità del minerale di rompersi secondo piani paralleli alle facce dell'abito cristallino.
• Durezza: misura la resistenza a essere scalfito; si misura con la scala di Mohs.
• Lucentezza: dipende da come il minerale riflette la luce; può essere metallica o non metallica.
• Temperatura di fusione: temperatura alla quale lo stato solido cristallino viene demolito; è un valore specifico per ogni minerale.

Polimorfismo e Isomorfismo

Polimorfismo: quando due o più minerali con identica composizione chimica hanno un reticolo cristallino diversamente strutturato. Ad esempio, grafite e diamante hanno atomi di carbonio disposti in posizioni diverse.

Isomorfismo: all'interno dello stesso reticolo, ioni di elementi chimici diversi possono sostituirsi a vicenda. Ad esempio, l'alluminio può sostituire il silicio.

In rari casi, la struttura può essere disordinata e amorfa.

Classificazione dei Minerali

I minerali si dividono in: solfuri, alogenuri, ossidi, carbonati, solfati e silicati (i più abbondanti). Questi ultimi sono caratterizzati dallo ione silicato con geometria tetraedrica e si dividono in 7 gruppi: nesosilicati, sorosilicati, ciclosilicati, inosilicati a catena singola e doppia, fillosilicati e tettosilicati.

I silicati si dividono inoltre in femici (basso rapporto Si/O, scuri e con densità elevata) e sialici (alto rapporto Si/O, chiari e con densità minore).

Rocce: Definizione e Riconoscimento

Una roccia è un aggregato solido e compatto di uno o più minerali che si trova in natura. La composizione mineralogica di una roccia dipende dal processo che ha portato alla sua genesi: magmatico, sedimentario o metamorfico. I processi responsabili della formazione della roccia fanno parte del ciclo litogenetico. Le rocce possono passare da un gruppo genetico a un altro subendo vari processi.

Come Riconoscere le Rocce

• Composizione: chimica o mineralogica, determina i minerali presenti.
• Tessitura: disposizione spaziale dei minerali, la loro forma e le loro dimensioni. Si suddividono in tre gruppi: olocristallina (rocce ben cristallizzate), afanitica (cristalli molto piccoli) e orientata (cristalli allungati).

Degradazione Meteorica

La degradazione meteorica consiste in un insieme di interazioni tra l'atmosfera, l'idrosfera e la parte superficiale della litosfera, che producono il disfacimento e la frantumazione delle rocce. Esistono due tipi di degradazione:

• Chimica: provoca l'alterazione delle rocce.
• Fisica: provoca la disgregazione delle rocce.

I frammenti solidi (clasti) e quelli disciolti in soluzione (ioni) di solito sono allontanati e deposti altrove.

Sedimenti

I sedimenti sono costituiti da frammenti sciolti di rocce preesistenti (fango e sabbia), piroclasti eiettati dall'attività esplosiva dei vulcani, cristalli di minerali che precipitano direttamente dall'acqua e resti minerali di organismi che si sono depositati sulla superficie terrestre. I sedimenti formano una copertura di spessore variabile che sovrasta il substrato roccioso. I gas dell'atmosfera e l'acqua piovana reagiscono con i minerali delle rocce e formano nuovi minerali detti minerali di alterazione.

Alterazione Chimica e Disgregazione Fisica

Alterazione chimica: i processi che portano al cambiamento di composizione mineralogica o chimica delle rocce prendono questo nome. I principali agenti sono l'ossigeno, l'acqua e il diossido di carbonio.

Disgregazione fisica: questi processi sono causati dalle variazioni di temperatura, detti fenomeni termoclastici. La frantumazione delle rocce dovuta a variazione di temperatura che comportino, in presenza di acqua, passaggi sopra e sotto il punto di congelamento dell'acqua è chiamato crioclastismo o gelivazione (assente negli ambienti desertici per la scarsità dell'acqua; in questi ambienti è il vento l'agente fisico principale, e si crea un effetto di corrosione).

Ciclo Sedimentario

Il ciclo sedimentario si divide in quattro fasi:

1. Degradazione ed erosione: a causa di agenti chimici e fisici. L'insieme dei processi mediante i quali gli agenti esogeni producono nuovi frammenti rocciosi a partire da rocce già degradate prende il nome di erosione.
2. Trasporto: per gravità o a causa del vento e dell'acqua (agenti di trasporto).
3. Sedimentazione: quando le particelle vengono depositate o precipitano chimicamente. Le particelle solide vengono deposte quando il trasporto perde la sua energia; sono costituite da materiali detritici accumulati da acqua e vento (rocce clastiche), rocce organogene (resti di organismi viventi) o rocce chimiche (sostanze chimiche precipitate nelle acque marine).
4. Espulsione e diagenesi: la diagenesi comporta la trasformazione del sedimento in roccia. La diagenesi è l'insieme dei processi fisici, chimici e biologici che provocano la litificazione del sedimento sciolto.

Classificazione delle Rocce Sedimentarie

La classificazione delle rocce sedimentarie si basa sul processo che le ha generate e sull'ambiente in cui si sono accumulate.

• Rocce clastiche: sono formate dai detriti provenienti dal disfacimento di altre rocce; la loro classificazione si basa primariamente sulle dimensioni dei granuli.
• Rocce carbonatiche: sono costituite da almeno il 50% di minerali carbonati, come calcite e dolomite. Esistono due classi fondamentali di sedimenti carbonatici: sedimenti deposti meccanicamente, che si originano spesso in mare e hanno tessitura particellare, e sedimenti accresciuti in posto, che possono essere biocostituiti (come le scogliere coralline) o precipitati chimicamente (come il travertino e le stalattiti).
• Evaporiti: si formano per precipitazione diretta da soluzioni concentrate; le evaporiti più comuni sono il salgemma e il gesso.
• Rocce silicee: derivano principalmente dall'accumulo di resti minerali, a composizione silicea, di organismi di varia natura.

Calore Terrestre

Meccanismi per il calore originario e primordiale:

• Conversione dell'energia cinetica in energia termica.
• Conversione dell'energia gravitazionale in energia termica (formazione del nucleo terrestre dovuto allo sprofondamento di grandi rocce).
• Riscaldamento adiabatico (aumento della massa della Terra dovuto alla continua pioggia di bolidi, che aumenta la pressione sulla parte interna del pianeta).
• Radioattività di isotopi a vita breve (calore prodotto dalla presenza di possibili isotopi radioattivi).

Il calore radiogenico può essere misurato su campioni di rocce estrapolati dalla Terra.

Tempo di Dimezzamento, Gradiente e Grado Geotermico, Geoterma e Flusso di Calore

Tempo di dimezzamento: è il tempo che occorre affinché decada la metà di una determinata quantità di atomi.

Gradiente geotermico: è l'aumento della temperatura ogni 100 m di profondità; è all'incirca 2-3 °C.

Grado geotermico: è l'intervallo di profondità cui corrisponde un aumento di temperatura di 1 °C; il suo valore è in media 39 m. Nel mantello è di circa 3700 °C e al centro della Terra di circa 5000 °C.

Geoterma: è la curva che descrive come la temperatura cresce con la profondità.

Flusso di calore: è la quantità di energia termica che sfugge dalla Terra per unità di area e di tempo.